Дифракция света на ультразвуке

    и разрешающую  способность N, т. е. число различимых  положений светового луча в  пределах   . Разрешающая способность определяется величиной   и угловой расходимостью   светового пучка:

    где d - поперечный размер светового пучка. Важной характеристикой устройств пространственного управления лучом является также эффективность дифракции  отношение интенсивности I1отклоненного света к интенсивности I2 падающего. В простейшем случае условия Брэгга выполняются благодаря расходимости акустического пучка. Расходящийся пучок можно рассматривать как совокупность плоских волн, волновые векторы которых лежат внутри углового интервала   . Для заданной частоты звука f дифракция будет происходить лишь на той компоненте пучка, для которой волновой вектор удовлетворяет условию Брэгга. При изменении f этому условию удовлетворяет уже другая компонента пучка. При использовании изотропного материала в качестве рабочего тела акустооптической ячейки , где D - поперечный размер звукового пучка,  - длина волны звука. В соответствии с этим полоса пропускания   и разрешающая способность N оказываются пропорциональными расходимости акустического пучка:

    Для дефлектора  с высокой разрешающей способностью  требуется значительная расходимость  звукового пучка, а, следовательно,  его минимальная ширина D. Уменьшение  эффективности   , вызванное уменьшением длины акустооптического взаимодействия, компенсируют увеличением вводимой акустической мощности. Однако с увеличением N падает эффективность использования этой мощности, т. к. на дифракцию света расходуется лишь 1/N ее часть. Применение в акустооптической ячейке двулучепреломляющих материалов позволяет существенно улучшить характеристики дефлекторов. С этой целью используется анизотропная дифракция света вблизи мнимого значения угла Брэгга  . При падении света на звуковой пучок под углом   небольшая расходимость звукового пучка обеспечивает выполнение условия Брэгга для достаточно широкого диапазона акустических частот, а, следовательно, и значительный интервал углов отклонения дифрагированного света. Это позволяет пользоваться широким акустическим пучком, что снижает акустическую мощность, необходимую для получения высокой эффективности дифракции   , и дает значительный выигрыш в разрешении по сравнению с дефлекторами, в которых используются изотропные материалы. Однако рабочие частоты таких приборов лежат обычно в гигагерцевом диапазоне. Управлять дифрагированным лучом можно используя т. н. фазированную решетку излучателей - ступенчатую систему сдвинутых по фазе преобразователей, параметры которой подбираются таким образом, чтобы фронт волны, отвечающей центральной частоте полосы пропускания, был параллелен плоскости отдельного преобразователя, а при изменении частот фронт поворачивался бы так, чтобы компенсировать соответствующее приращение угла Брэгга. Этот способ возбуждения звука позволяет в несколько раз увеличить полосу пропускания и разрешающую способность дефлекторов. Существуют акустооптические дефлекторы, осуществляющие двухкоординатное отклонение светового луча. В этом случае используются два скрещенных одномерных дефлектора, которые могут быть совмещены в одной акустооптической ячейке, если в ней возбуждаются акустические волны в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Современные дефлекторы позволяют получать   разрешимых элементов со временем перехода от одного элемента к другому порядка   с. Доля отклоненного света достигает нескольких десятков процентов при потребляемой акустической мощности 0,1 - 1 Вт. В устройствах, основанных на акустооптической рефракции, отклонение светового луча осуществляется в результате искривления его пути при прохождении через среду, в которой стоячей или бегущей звуковой волной создается неоднородная деформация. Такие устройства представляют собой относительно низкочастотные приборы (   МГц), осуществляющие развертку светового пучка по синусоидальному закону. КПД рефракционных устройств мал, т. к. лишь ничтожная часть звуковой энергии, заключенной в объеме  акустооптической ячейки , расходуется на отклонение светового луча.

    Акустооптические  модуляторы — приборы, управляющие  интенсивностью световых пучков  на основе перераспределения  световой энергии между проходящим  и дифрагированным светом. Обычно используется модуляция дифрагированного света, т. к. 100%-ная модуляция проходящего излучения требует значительных акустических мощностей

    Акустооптические  фильтры — устройства, позволяющие  выделить из широкого спектра  оптического излучения достаточно  узкий интервал длин световых  волн, удовлетворяющих условию Брэгга. Изменяя частоту звука, можно  выделяемый интервал перемещать  по оптическому спектру в широких  пределах.

  Акустооптические процессоры  — осуществляют те или иные  математические операции над  оптическими и акустическими  сигналами. В частности:

корреляторы — вычисляют  корреляцию двух сигналов;

конвольверы — выполняют  математическую операцию свёртки двух сигналов;

матрично-векторные процессоры — выполняют операции линейной алгебры;

Акустооптические приборы, рассмотренные выше, служат основой  для создания устройств обработки  СВЧ-сигналов – так называемых процессоров, которые, в отличие от цифровых вычислительных машин, позволяют производить обработку информации в реальном масштабе времени. В акустооптическом процессоре переменный во времени электрический сигнал преобразуется электроакустическим преобразователем в ультразвуковую волну, которая, распространяясь в акустооптической ячейке, создает пространственное звуковое изображение сигнала. При дифракции света на звуковом сигнале в дифрагированном излучении возникает оптическое изображение сигнала, которое затем обрабатывается с помощью различных оптических элементов: линз, зеркал, диафрагм, транспарантов и др. Обработка сигнала осуществляется путем одновременного считывания всей запасенной в звуковом импульсе информации. Акустооптические процессоры осуществляют быстрое, в реальном масштабе времени, фурье-разложение СВЧ-сигнала, частотную фильтрацию сигнала, нахождение функции корреляции исследуемого сигнала с заданным и другие операции.

    Акустооптический  коррелятор предназначен для  нахождения функции корреляции  двух сигналов исследуемого S(t) и опорного r(t):

 Действие коррелятора  основано на оптическом перемножении  изображений этих сигналов. Свет  в акустооптическом модуляторе, дифрагируя на звуковой волне, модулированной сигналом S(t), формирует оптическое изображение этого сигнала. Далее дифрагированный свет проходит через пространственный фильтр, пропускание которого меняется по закону r(x) и собирается на фотоприемном устройстве, на выходе которого возникает сигнал, пропорциональный функции корреляции  . В качестве пространственного фильтра может использоваться второй акустооптический модулятор, в котором УЗ-волны модулируются сигналом r(t).

Акустооптическое взаимодействие также успешно применяется для анализа параметров упругих волн, распространяющихся в жидких и твердых средах, например, в стеклах и кристаллах.

Развёртывающие устройства — позволяют считывать оптическое изображение построчно и преобразовывать  его с помощью одноэлементного  фотоприемника в последовательность электрических сигналов.

Анализаторы электрических  сигналов (радиосигналов):

анализаторы спектра радиосигналов;

измерители фазы радиосигналов.

Устройства регулируемой задержки — задерживают сигнал на определенное время, длительность которого, в отличие от твердотельных акустоэлектронных  линий задержки, легко регулируется (положением оптического луча).

Компрессоры радиоимпульсов — осуществляют сжатие электрических  импульсов.

Акустооптические системы  с обратными связями:

-системы стабилизации  оптических и электрических параметров (например, системы стабилизации  интенсивности оптического пучка);

-электронно-акустооптические  генераторы — автоколебательные  системы, содержащие в качестве  основного нелинейного элемента  акустооптическое устройство; позволяют  получать согласованные автоколебания  электрических, акустических и  оптических величин, включая регулярные  и стохастические колебательные  режимы;

-бистабильные и мультистабильные системы — акустооптические системы, характеризующиеся двумя или несколькими стабильными состояниями, между которыми возможно переключение при определенном внешнем воздействии; такие системы можно рассматривать как оптические аналоги электронных триггеров.

 В узком смысле под  акустооптическими явлениями понимают  только дифракцию и рефракцию  света на ультразвуке. Основным  явлением, которое используется  в современных акустооптических  приборах, является акустооптическая  дифракция.

1.4 Применение акустооптических явлений

Акустооптический эффект широко применяется как в научных  исследованиях, так и в технических  устройствах. В частности, акустооптическим методом можно визуализировать акустические поля и контролировать качество прозрачных материалов. Акустооптические фильтры позволяют осуществлять дистанционный химический анализ среды. Кроме того, акустооптические устройства оказываются чрезвычайно эффективными для анализа высокочастотных радиосигналов. Важнейшей областью применений являются системы оптической обработки информации, включая элементы систем оптической связи и оптические процессоры.

Разнообразные применения акустооптических приборов становятся возможными благодаря  многогранности акустооптического  эффекта, с помощью которого можно  эффективно манипулировать всеми параметрами  оптической волны. Так акустооптические устройства позволяют управлять  интенсивностью лазерного излучения, положением оптического луча в пространстве, поляризацией и фазой оптической волны, а также спектральным составом и пространственной структурой оптических пучков.

Глава 2.

Явление ультразвука

Ультразвук — упругие  колебания и волны с частотами  приблизительно от 1,5— 2× Гц (15—20 кГц) и до Гц (1 ГГц), область частот ультразвука от до Гц принято называть гиперзвуком. Область частот ультразвука можно подразделить на три подобласти: ультразвук низких частот (1,5×—Гц) — УНЧ, ультразвук средних частот (— Гц) — УСЧ и область высоких частот ультразвука (— Гц) — УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения. 

Рождение ультразвука

В 1880 году французские физики, братья Пьер и Поль Кюри, заметили, что  при сжатии и растяжении кристалла  кварца с двух сторон на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, появляются электрические заряды. Это  явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого «пьезо» - «давлю»), а материалы с такими свойствами - пьезоэлектриками. Позже это явление объяснили анизотропией кристалла кварца - разные физические свойства вдоль разных граней.

Во время первой мировой  войны французский исследователь  Поль Ланжевен предложил использовать пьезоэлектрический эффект для обнаружения  подводных лодок. Если пьезоэлектрик встречает на своем пути ультразвуковую волну от винта лодки, которая распространяется со скоростью 1460 км/с, то она сжимает его грани, и на них появляются электрические заряды. Сжимаясь и разжимаясь, кристалл как бы генерирует переменный электрический ток, который можно измерить чувствительными приборами. Если же к граням кристалла приложить переменное напряжение, он сам начнет колебаться, сжимаясь и разжимаясь с частотой переменного напряжения. Эти колебания кристалла передаются среде, граничащей с кристаллом (воздуху, воде, твердому телу). Так возникает ультразвуковая волна.

Ланжевен попробовал зарядить грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой  частоты. При этом он заметил, что  кристалл колеблется в такт изменению  напряжения.

Чтобы усилить эти колебания, ученый вложил между стальными листами-электродами  не одну, а несколько пластинок  и добился возникновения резонанса - резкого увеличения амплитуды колебаний. Эти исследования Ланжевена позволили  создавать ультразвуковые излучатели различной частоты. Позже появились  излучатели на основе титаната бария, а также других кристаллов и керамики, которые могут быть любой формы и размеров.

Ультразвук можно получить и другим способом. В 1847 году английский физик Джеймс Джоуль обнаружил, что  при перемагничивании электрическим  током железных и никелевых стержней они то уменьшаются, то увеличиваются в такт изменениям направления тока.

При этом в окружающей среде  возбуждаются волны, частота которых  зависит от колебаний стержня. Это  явление назвали магнитострикцией (от латинского «стриктус» - «сжатие»).

Ультразвук оказался просто находкой для решения технических, научных и медицинских задач.

 Физические свойства  и особенности распространения  ультразвука

По своей физической природе  ультразвук представляет собой упругие  волны и в этом он не отличается от звука. Частотная граница между  звуковыми и ультразвуковыми  волнами поэтому условна; она определяется субъективными свойствами человеческого слуха и соответствует усреднённой верхней границе слышимого звука. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн имеет место ряд особенностей распространения ультразвука. Так, для УЗВЧ длины волн в воздухе составляют 3,4×—3,4× см, в воде 1,5×—1,5× см и в стали 5×— 5× см, ультразвук в газах и, в частности, в воздухе распространяется с большим затуханием. Жидкости и твёрдые тела (в особенности монокристаллы) представляют собой, как правило, хорошие проводники ультразвука, затухание в которых значительно меньше. Так, например, в воде затухание ультразвука при прочих равных условиях приблизительно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому области использования УСЧ и УЗВЧ относятся почти исключительно к жидкостям и твёрдым телам, а в воздухе и газах применяют только УНЧ. Ввиду малой длины волны ультразвука на характере его распространения сказывается молекулярная структура среды, поэтому, измеряя скорость ультразвука с и коэффициент поглощения a, можно судить о молекулярных свойствах вещества. Этими вопросами занимается молекулярная акустика. Характерная особенность распространения ультразвука в газах и жидкостях — существование отчётливо выраженных областей дисперсии, сопровождающейся резким возрастанием его поглощения. Коэффициент поглощения ультразвука в ряде жидкостей существенно превосходит рассчитанный по классической теории и не обнаруживает предсказанного этой теорией увеличения, пропорционального квадрату частоты. Все эти эффекты находят объяснение в релаксационной теории, которая описывает распространение ультразвука в любых средах и является теоретической базой современной молекулярной акустики, а основной экспериментальный метод — измерение зависимости с и особенно, а от частоты и от внешних условий (температуры, давления и др.).

Совокупность уплотнений и разряжений, сопровождающая распространение  ультразвуковой волны, представляет собой  своеобразную решётку, дифракцию световых волн на которой можно наблюдать  в оптически прозрачных телах. Малая  длина ультразвуковых волн является основой для того, чтобы рассматривать  их распространение в ряде случаев  методами геометрической акустики. Физически  это приводит к лучевой картине  распространения. Отсюда вытекают такие  свойства ультразвука, как возможность  геометрического отражения и  преломления, а также фокусировки  звука.